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1、物理（机械建筑类）,主编：王美玉,第8章 第9章,第8章,8.1.1 光线 光的反射 光的折射 8.1.2 光的全反射 8.1.3 光导纤维 8.2.1 激光的特性 8.2.2 激光的应用,第8章,图8-1 日食,8.1.1 光线 光的反射 光的折射,【光线】 在均匀介质中，光是沿直线传播的。阳光从小孔进入暗室，由于室内灰尘对光的散射，我们可以很清楚地看到这束阳光的传播路线是笔直的。 把光能够在其中传播的物质称为光介质，简称介质。 光是直线传播的，我们可以用一条表示光束的直线来代表这束光，这样的直线就称为光线。光线是个抽象概念，并非实际存在。在画图的时候，我们经常用带箭头的线段来表示光的传播方
2、向。自然界中的许多光现象，如影子、日食、月食、小孔成像等，都是光直线传播的结果。 【光的反射】 当光在一种均匀介质里传播的过程中遇到另一种介质时，它的传播方向会发生变化，其中有一部分光反射回原来的介质中，这就是光的反射。实验证明光在反射时遵循以下的反射定律。 反射定律 如图8-2所示，反射光线与入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角，这就是反射定律。 物理(机械建筑类)第8章 光现象及应用 根据光的反射定律可以知道，如果光线逆着反射光线的方向射到反射面上，则一定可以在原来入射光的角度上得到这束光的反射光，所以，反射现象遵循光路可逆规律。,8.1.1 光
3、线 光的反射 光的折射,【光的折射】 如图8-5所示，插入水中的直尺好像向上折了似的，这是因为当光从一种介质进入另一种不同介质时，光的传播方向发生了变化，我们把这种现象称为光的折射。如图8-6所示，定义入射光线与法线的夹角i为入射角，定义折射光与法线的夹角为折射角。经过长期研究，1621年荷兰数学家斯涅耳总结出了折射现象所遵循的折射定律。 折射定律 折射光线和入射光线与通过入射点的法线在同一平面上，并且折射光线与入射光线分别位于法线两侧；入射角正弦与折射角正弦之比为一常数，它等于光在两种介质中的传播速度的比值,8.1.1 光线 光的反射 光的折射,图8-2 反射光与入射光,8.1.1 光线 光
4、的反射 光的折射,图8-3 漫反射,8.1.1 光线 光的反射 光的折射,图8-4 镜面反射,8.1.1 光线 光的反射 光的折射,图8-5 光的折射现象,8.1.1 光线 光的反射 光的折射,图8-6 光折射原理示意图,8.1.1 光线 光的反射 光的折射,表8-1 常见介质的折射率,8.1.1 光线 光的反射 光的折射,8.1.2 光的全反射,【全反射现象】 根据光的折射定律，光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角i。如图8-8a所示，一束光线由水中斜射入空气，可以看到光线射在水面上时，同时发生了反射和折射，并且折射角大于入射角i。此时如果我们不断增大入射角i，将会看到折射角也越来越
5、大，并且反射光也越来越强。如图8-8b所示，当入射角i增大到某一角度时，折射角等于90，折射光完全消失，光线全部被反射到水中。 图8-8 全反射现象和原理示意图我们把入射光在介质表面被全部反射的现象称为全反射现象，发生全反射时的入射角称为临界角，用i0表示，如图8-8b所示。 全反射事实上是折射角先于入射角i达到90而产生的一种特殊的光学现象。根据实验得出，发生全反射现象必须具备以下两个条件： (1)光由光密介质进入光疏介质； (2)入射角等于或大于临界角。,8.1.2 光的全反射,图8-8 全反射现象和原理示意图,8.1.2 光的全反射,图8-9 水中发亮的气泡,8.1.2 光的全反射,8.
6、1.3 光导纤维,【光导纤维】 光导纤维又称光学纤维，是应用光的全反射原理进行光信号传导的新型材料。光导纤维一般是用玻璃纤维或塑料纤维制作，它由芯线和包层组成，如图8-11所示。芯线折射率比包层的折射率大得多。当光的入射角大于临界角时，光就在芯线与包层之间发生多次全反射而曲折前进，不会透过界面，把光从一端传到另一端，就好像自来水只能在水管里流动一样。 图8-11 光导纤维 a)光导纤维传输光线原理图 b)光导纤维传输图像原理图【光导纤维的应用】 光导纤维在医学、工业和通信等领域都有广泛的应用。 医学上可以用光导纤维制造医用内窥镜等仪器，用以观察人体内部的病变并进行一些复杂的手术。例如，利用光导
7、纤维可以对食道、直肠、膀胱、子宫和胃等器官进行深部探查。将医用内窥镜(如胃镜、血管镜等)元件与不必切开皮肉的外科手术激光刀配合，可以直接插入身体内部，切除病变组织。,8.1.3 光导纤维,图8-11 光导纤维 a)光导纤维传输光线原理图 b)光导纤维传输图像原理图,8.1.3 光导纤维,图8-12 光纤灯具,8.2.1 激光的特性,激光主要由同频率、同相位和同方向的光子构成。它具有普通光所不具有的特性：单色性好、相干性好、方向性好和亮度高。,8.2.2 激光的应用,由于激光具有许多独特的特性，因此，激光在许多领域得到广泛的应用。 【激光精密计量】 激光精密计量包括长度测量、测距或测速、表面质量
8、检验等。随着科技的发展，工程技术和科学研究中对长度的测量精度要求越来越高 【激光信息处理】 在知识经济时代，需要存储、传输、处理大量的信息，而且数量与日俱增，使用激光技术能够大幅度提高信息处理能力和速度。激光信息处理包括光盘制作、光纤通信、光计算、激光印刷技术等。 【强激光的应用】 激光经过聚焦可以获得功率很高的激光束 【激光医学】 利用高亮度激光束产生的热效应，以及单色性好的激光束产生的生物效应，可以治疗部分疾病。 【激光武器】 在古代人们就幻想用光束来做武器。激光武器基本上由高能量激光系统和精密跟踪系统两部分组成。激光武器又分为战术激光武器和战略激光武器两类。,8.2.2 激光的应用,图8
9、-13 激光导向打隧道,8.2.2 激光的应用,图8-14 激光钻孔示意图,8.2.2 激光的应用,图8-15 激光制导炸弹,图8-16 建筑物上的玻璃幕墙,8.3 光污染与控制,图8-17 看不见星光的城市夜空,8.3 光污染与控制,图8-18 郊外的夜空,8.3 光污染与控制,【光污染】 光污染问题最早于20世纪30年代由国际天文界提出，他们认为光污染是城市室外照明使天空发亮，从而对天文观测产生负面影响。后来英美等国称之为“干扰光”，在日本则称之为“光害”。 【光污染的分类】 国际上一般将光污染分成三类，即白亮污染、人工白昼和彩光污染。 白亮污染 当太阳光照射强烈时，城市里建筑物的玻璃幕墙
10、、釉面砖墙、磨光大理石和各种装饰涂料等会反射光线，产生明晃白亮，使人产生眩晕感，这种现象就是白亮污染。如图8-17所示，夜幕降临后，商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目，令人眼花缭乱，有些强光束甚至直冲云霄，使得夜晚如同白天一样，即产生人工白昼。 彩光污染 休闲娱乐场所安装的黑光灯、旋转灯、荧光灯以及闪烁的彩色光源构成了彩光污染。,8.3 光污染与控制,【光污染的危害】 据美国一份最新的调查研究显示，夜晚的华灯造成的光污染已使世界上五分之一的人对银河系“视而不见”。这份调查报告的作者之一埃尔维奇说：“许多人已经失去了夜空，而正是我们的灯火使夜空失色。”他认为，现在世界上约有三分之二的人生活在光
11、污染里。在欧美和日本，光污染的问题早已引起人们的关注。美国还成立了国际黑暗夜空协会，专门与光污染作斗争。 【光污染的控制】 控制光污染主要有下列几个方面： (1)加强城市科学规划和管理，改善工作环境照明条件，减少光污染的来源。 (2)对有红外线和紫外线污染的场所采取必要的安全防护措施。 (3)采用个人防护措施，主要是戴防护眼镜、穿防护服等。 光污染虽未被列入环境防治范畴，但它的危害显而易见，并在日益加重和蔓延。因此，人们在生活中应合理关注，防止各种光污染对健康的危害，避免过长时间接触光污染。已出现症状的应定期去医院作检查，及时发现病情，以防为主，防治结合。,8.3 光污染与控制,第9章,9.1
12、.1 原子的核式结构 9.1.2 天然放射现象 9.1.3 原子核的组成 9.1.4 放射线污染与防治 9.2.1 核能 质量亏损 9.2.2 重核裂变 9.2.3 核能的开发利用 9.2.4 轻核聚变,第9章,图9-1 秦山核电站,第9章,9.1.1 原子的核式结构,【汤姆生的原子模型】 1897年汤姆生(18561940)发现了电子。后来发现，在射线使气体电离以及光电效应等现象中，都从物质的原子中击出了电子。这表明电子是原子的组成部分。电子是带负电的，而原子是中性的，可见原子里还有带正电的物质。这些带正电的物质和带负电的电子是怎么样构成原子的，就成了当时物理学家们最关心的问题之一。,9.1
13、.1 原子的核式结构,【玻尔的原子模型】 卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了粒子散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但与经典的电磁理论发生了矛盾。原来电子没有被静电斥力吸引到核上，它一定是以很大的速度绕核运动，就像行星绕着太阳运动那样。按照经典电磁理论，绕核运动的电子应该辐射出电磁波，因此，它的能量要逐渐减少。随着能量的减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样。同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运
14、行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此，原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱，然而实际上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的线状谱。,9.1.1 原子的核式结构,图9-2 汤姆生原子模型,9.1.1 原子的核式结构,图9-3 粒子散射实验装置示意图,9.1.1 原子的核式结构,图9-4 根据汤姆生原子模 型预言的粒子偏转,9.1.1 原子的核式结构,图9-5 粒子十分接近原子 核时发生大角度偏转,玻尔理论的主要内容是如下的假设： (1)原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运
15、动，但并不向外辐射能量，这些状态称为定态。 (2)原子从一种定态(设能量为0)跃迁到另一种定态(设能量为)时，它辐射(吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即h=0-(3)原子的不同能量状态与电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此，电子的可能轨道的分布也是不连续的。,9.1.1 原子的核式结构,9.1.1 原子的核式结构,【能级】 氢原子的各个定态的能量值，称为能级。上面计算出的En就是氢原子的能级公式。通常把计算出的氢原子的各个能级En表示为图9-6所示的能级图。 图9-6 氢原子能级图在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动
16、，这种定态称为基态。当物体受到加热或有光照射物体时，物体中的某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中吸收一定的能量，电子就可以从内层轨道跃迁到离核较远的轨道上运动，即从基态跃迁到较高能级，这种定态称为激发态。原子从基态向激发态跃迁的过程，是吸收能量的过程。原子从能级较高的激发态向能级较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。原子无论吸收能量或辐射能量，这个能量都不是任意的，而是等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差。,图9-6 氢原子能级图,9.1.1 原子的核式结构,9.1.2 天然放射现象,【天然放射现象】 人类认识原子核的复杂结构和它的变化规律是从发现天然放射现象开始的。 1896年法国物理学家贝克勒耳(18521908)发现，铀和含铀的矿物能发出某种看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。物质能自发地产生射线的性质，称为放射性；具有放射性的元素，称为放射性元素。 【放射性元素的衰变】具有放射性的元素的原子核，如铀核放出一个粒子后，就变成了新的原子核。我们把放射性元素放出射线后
